Poedermetallurgie: waar de superroestvaststalen vandaan komen

Poedermetallurgie is niet ontstaan omwille van messen en loste geen messenprobleem op. Maar juist zij verschoof de beperking waar messenstaal decennialang tegenaan liep.

De beperking

Alles draait om carbiden. Zij geven wear resistance en zij geven ook brosheid: carbiden zijn hard en bros, een scheur ontstaat er gemakkelijk in, en hoe meer je er hebt, hoe eerder de snede uitbreekt en de punt afbreekt. Meer carbide — langer snijden en makkelijker breken.

Er is één uitweg uit dat dilemma, en die zit niet in de hoeveelheid maar in de kwaliteit. De hardheid van een carbide heeft doorgaans geen invloed op de toughness. Dus als je hardere carbiden neemt — bijvoorbeeld vanadiumcarbiden, tot de hardste die er zijn — en ze klein houdt, krijg je bij dezelfde hoeveelheid carbide meer wear resistance. Of, van de andere kant bekeken, meer wear resistance bij hetzelfde niveau van toughness.

„Klein houden” — precies daar houdt gewone metallurgie op.

Hoe het gedaan wordt

In het poederproces wordt vloeibaar staal door een sproeier verstoven met stralen stikstofgas, waarna het in piepkleine deeltjes stolt. De carbiden daarin zijn van meet af aan heel fijn — eenvoudigweg omdat ze geen tijd krijgen om te groeien. Vervolgens wordt het poeder met heet isostatisch persen, HIP, geconsolideerd tot een vast blok.

Daarna begint het vervelende deel. Carbiden groeien vanzelf, door een natuurlijk proces dat Ostwald-rijping heet. Hoe hoger de temperatuur, hoe sneller. En hoge temperatuur is in de productie onvermijdelijk: bij het HIP-en, bij het smeden en bij het walsen brengt het staal tijd door in een gebied waar de carbiden langzaam maar zeker grover worden.

Ze groeien niet allemaal even hard. Chroomcarbiden zijn minder stabiel dan vanadiumcarbiden en worden daarom sneller grover. Daardoor heeft CPM-D2, met chroomcarbide, grovere carbiden dan Vanadis 8, met vanadiumcarbide — bij een gelijke hoeveelheid.

Wat het opleverde

De beste combinatie van toughness en wear resistance geven poederstalen die vooral op vanadiumcarbide gelegeerd zijn: CPM-1V, CPM-3V, Vanadis 4 Extra, CPM-4V, CPM-10V, K390, Vanadis 8. Dit zijn roestende stalen, en het verschil met de roestvaste is niet cosmetisch: bij de roestende poederstalen verdubbelt de toughness bij een gegeven niveau van edge retention vrijwel.

De praktische betekenis van dubbele toughness is direct. De snede brokkelt minder vaak uit; je kunt de hardheid verhogen zonder sterkte te verliezen; je kunt de snede dunner slijpen en zo beter snijden.

De roestvaste poederstalen krijgen dat niet. Daar zit altijd een aanzienlijke hoeveelheid chroomcarbide in — minstens 9 à 10%, en in totaal minstens 15% carbide. Bij een carbidegehalte boven de vijftien procent bestaat hoge toughness niet meer.

Niobium

De logische volgende stap is een carbide dat nog stabieler is dan het vanadiumcarbide. Dat bestaat: het niobiumcarbide. Het wordt bij HIP en heet walsen langzamer grover, en in het eindstaal blijken niobiumcarbiden zelfs fijner dan vanadiumcarbiden. Een gewijzigde versie van CPM-3V, hoofdzakelijk met niobium in plaats van vanadium gelegeerd, is werkelijk gemaakt: de carbidegrootte nam af, de toughness verbeterde. In serie is ze nooit uitgebracht.

De fysica zit in de weg. Niobium is een zeer sterke carbidevormer, het begint al bij hoge temperaturen carbiden te vormen, nog in het vloeibare staal. Hoe meer niobium, hoe hoger die temperatuur. Op een gegeven moment ontstaan de carbiden eerder dan de smelt tot poeder verstoven kan worden — en daar groeien ze snel, want het is vloeibaar en heet. Bovendien kunnen ze de sproeier verstoppen waar het vloeibare staal doorheen gaat, dwars door de stikstofstralen. Het praktische plafond ligt rond 3% niobium.

Er is een omweg bedacht: eerst het staal verstuiven zonder enige toevoeging van koolstof, zodat er in plaats van niobiumcarbide FeNb ontstaat, en daarna het poeder met grafiet mengen vóór het persen tot een blok. Het patent van Bohler op zulke niobiumrijke poederstalen is al in 2009 ingediend. In een van de samenstellingen bleef er slechts 12% chroom over en werd de corrosiebestendigheid beter dan die van M390 — waarschijnlijk mede dankzij het verhoogde molybdeen. Producten op de markt zijn er tot op heden niet.

Stikstof in plaats van koolstof

De tweede richting is koolstof vervangen door stikstof. Een stikstofatoom gedraagt zich in het kristalrooster net als een koolstofatoom en verhoogt de hardheid evengoed, maar schaadt de corrosiebestendigheid veel minder. Bovendien worden chroom- en vanadiumnitriden langzamer grover dan hun carbide-tegenhangers. Bevat een deeltje zowel koolstof als stikstof, dan heet het een carbonitride.

In kleine hoeveelheden wordt stikstof al lang toegepast: in S30V, uitgebracht in 2001, zit er ongeveer 0,2% in. Cronidur 30, ook bekend als LC200N, bevat 0,4% en is eind jaren tachtig ontwikkeld, helemaal niet voor messen maar voor lagers.

Het verst is Vanax gegaan. Vloeibaar staal lost stikstof slecht op, dus wordt het met een relatief laag gehalte verstoven en wordt het poeder daarna genitreerd — vóór het HIP-en. Zo komt men op 1,55% stikstof. De vergelijking is veelzeggend: Vanax en Elmax lijken qua samenstelling sterk op elkaar, alleen zit er in Elmax 1,7% koolstof en ongeveer 0,1% stikstof, en in Vanax 1,55% stikstof en 0,35% koolstof.

Een wonder bleef uit. Vanax bevat evengoed veel carbonitriden — ongeveer 10% chroom- en 4% vanadiumhoudende, samen dus evenveel als de carbiden in andere roestvaststalen — en de toughness is niet uitzonderlijk. Wel is de corrosiebestendigheid uitzonderlijk bij uitstekende edge retention, en Vanax laat zich vrij makkelijk slijpen.

Beide trucs werken ook samen. S45VN bevat 0,5% niobium en ongeveer 0,17% stikstof, en er zit nauwelijks meer chroomcarbide in dan in S30V of S35VN, hoewel het chroomgehalte 16% is tegen veertien.

De echte superroestvaststalen

Een aparte tak zijn de stalen waarvan de bestendigheid tegen vlekken en corrosie veel hoger is dan die van gewoon roestvast staal. Ze zijn austenitisch en niet-magnetisch en zijn gemaakt voor omgevingen waar gewoon roestvast staal het opgeeft: zout water, hoge luchtvochtigheid, tropisch woud, moeras.

De samenstellingen zijn daar van een andere orde: 26 tot 42% chroom, 10 tot 22% nikkel en 1,5 tot 10% titaan, tantaal, vanadium, niobium, aluminium, silicium, koper of molybdeen — of combinaties daarvan.

• H1 van Myodo Metals, Japan. Spyderco zet het in messen voor zout water en duiken; Benchmade gebruikte het ook, later vervangen door X15TN.
• X15TN — Frans staal, gepatenteerd door Aubert & Duval, oorspronkelijk ontwikkeld voor de medische industrie en kogellagers van straalmotoren. Volgens het datablad van het bedrijf voldoet het aan norm EN 1.4123 (aanduiding X40CrMoNV16-2) en UNS42025. Martensitisch roestvast staal met een hoog stikstofgehalte, omgesmolten omwille van een optimale structuur.
• Vanax van Uddeholm — het poederstaal van de derde generatie waarin koolstof grotendeels door stikstof is vervangen.
• LC200N, ook bekend als Z-FiNit, Cronidur 30 en N360, van Zapp Precision Metals — gereedschapsstaal met een hoog stikstofgehalte, dat uitstekende corrosiebestendigheid combineert met hoge toughness, zelfs bij een hardheid tot 60 HRC.

Met de keuken heeft dit alles vrijwel niets te maken. Een mes voor zout water heeft meer aan corrosiebestendigheid dan aan edge retention; thuis is die ruil niet nodig.

Het keukendeel

In de keuken duiken poederstalen in een andere gedaante op — als merken met heel veel koolstof en heel hoge hardheid. SG-2, ook wel R2, van Takefu haalt 62–63 HRC. Het Japanse SRS-15, met een zeer hoog koolstofgehalte plus wolfraam en vanadium, laat zich harden tot 64–65 HRC. Cowry-X van Daido — 3% koolstof en 20% chroom, 64–65 HRC. ZDP-189 van Hitachi — hetzelfde koolstof en chroom, maar met molybdeen, wolfraam en vanadium, en sommige fabrikanten brengen het tot 65 en zelfs 67 HRC.

Je betaalt daarvoor niet alleen met geld. Zulke stalen zijn vergeleken met andere heel lastig te slijpen, en bij extreme hardheid zijn ze betrekkelijk gevoelig voor uitbrokkelen. Poedermetallurgie heeft de grens van het mogelijke verschoven, maar de tweedeling tussen wear resistance en toughness heeft ze niet opgeheven — alleen verplaatst.